---

Prof. Wojciech Bury o noblu z chemii 2025

Czym są materiały MOF i co jest w nich tak urzekającego, że Komitet Noblowski uhonorował trzech badaczy tegoroczną Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii właśnie za wkład w rozwój badań nad tymi materiałami?

Nagrodę Nobla z chemii w roku 2025 otrzymało trzech naukowców – prof. Susumu Kitagawa z Japonii, prof. Richard Robson z Australii oraz prof. Omar M. Yaghi z USA – „za rozwój sieci metaliczno-organicznych”. Tematykę sieci metaliczno-organicznych ( z ang. metal-organic frameworks – MOF) przybliża nam  prof. Wojciech Bury z Wydziału Chemii UWr.

Czym są tajemnicze materiały MOF?

Sieci metaliczno-organiczne to bardzo ciekawa i szczególna klasa materiałów porowatych, które od ponad dwóch dekad fascynują naukowców z różnych stron świata. Materiały te w swojej budowie zawierają wolne przestrzenie (pory), które wypełnione są cząsteczkami tzw. gości. Taka budowa nasuwa nam analogiczny materiał z naszego życia codziennego jakim jest gąbka, zaś proces adsorpcji cząsteczek gości w porach możemy skojarzyć z nasączaniem gąbki wodą podczas relaksującej kąpieli lub mniej relaksującego zmywania naczyń. Oczywiście należy dodać, że to Natura, od zarania cywilizacji, dostarcza nam wielu materiałów porowatych takich jak pumeks, węgiel drzewny czy zeolity (zwane wrzącymi kamieniami).

Każdy z trzech nagrodzonych naukowców dokonał pionierskich odkryć w tym obszarze. Profesor Richard Robson w swojej wizjonerskiej pracy z 1989 roku przedstawił pierwszy przykład krystalicznego polimeru koordynacyjnego, który zawierał „puste przestrzenie” w krysztale [J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5962]. Oczywiście Natura nie znosi pustki, więc te „dziury” były zapełnione molekułami rozpuszczalników. To odkrycie było inspiracją dla kolejnych badaczy i wtedy jeszcze nikt się nie spodziewał, że niebawem chemicy będą dysponować dziesiątkami a nawet setkami tysięcy takich materiałów, co dziś ma już miejsce.

Inspiracją dla R. Robsona była struktura diamentu, w której każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi, tworząc piramidę. Zamiast atomów węgla, Robson użył jonów miedzi(I) i molekuły o czterech ramionach, z których każde zakończone jest grupą nitrylową. W efekcie powstał kryształ o strukturze analogicznej do diamentu, ale tym razem zawierającego pory.

Inspiracją dla R. Robsona była struktura diamentu, w której każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi, tworząc piramidę. Zamiast atomów węgla, Robson użył jonów miedzi(I) i molekuły o czterech ramionach, z których każde zakończone jest grupą nitrylową. W efekcie powstał kryształ o strukturze analogicznej do diamentu, ale tym razem zawierającego pory.

Z kolei Profesor Omar M. Yaghi w latach 90-tych XX wieku stworzył podwaliny dziedziny, którą dziś nazywamy chemią retikularną [Nature, 1999, 402, 276]. Prof. Yaghi zaproponował i wykazał, jak tworzyć porowate polimery koordynacyjne, które nazwał MOF – z angielskiego Metal-Organic Frameworks, co możemy przetłumaczyć jako sieci metaliczno-organiczne. To prof. Yaghi pokazał światu, że sieci MOF możemy traktować jako struktury zbudowane z dwóch typów klocków (węzły i łączniki), które łącząc się wzajemnie tworzą uporządkowaną sieć, zawierającą wolne przestrzenie (pory) o określonym kształcie i rozmiarze. Takim projektowaniem dobrze zdefiniowanych materiałów porowatych zajmuje się właśnie chemia retikularna, która wyewoluowała z dobrze nam znanej chemii koordynacyjnej.

Trzeci z nagrodzonych naukowców – prof. Susumu Kitagawa z Uniwersytetu w Kyoto, to niezwykle wszechstronny badacz, który w latach 90-tych XX wieku skupił się na badaniu fundamentalnych aspektów porowatości i trwałości polimerów koordynacyjnych, które dziś nazywamy „potocznie” MOFami. Dzięki pracom prof. Kitagawy dowiedzieliśmy się jak cząsteczki gości oddziałują z siecią gospodarza, jakie procesy dynamiczne decydują o sztywności lub elastyczności materiałów MOF.

Do czego mogą być wykorzystywane te materiały?

To co wyróżnia materiały MOF spośród innych materiałów to ich zdolności sorpcyjne, które związane są obecnością porów w strukturze. Dzięki temu sieci MOF mogą wykazywać ogromną powierzchnię właściwą, przekraczającą nawet 7000 m²/g; czyli innymi słowy, zaledwie 1 gram takiego materiału może mieć powierzchnię boiska do piłki nożnej (7000 m²). Stąd też wiele zastosowań materiałów MOF dotyczy wykorzystania ich w procesach pochłaniania i separacji gazów. Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań materiałów MOF dotyczy magazynowania wodoru (zielona energia), metanu, dwutlenku węgla (gazy cieplarniane) czy adsorpcji wody z powietrza (nawet na pustyni). Poza tym pory materiałów MOF mogą być wykorzystywane jako reaktory w skali nano do prowadzenia reakcji chemicznych. Znamy wiele ciekawych przykładów wykorzystania materiałów MOF w katalizie. Każde z tych zastosowań jest ogromnym wyzwaniem zarówno dla chemików, fizyków jak i inżynierów, dlatego ciągle naukowcy pracują nad udoskonalaniem już poznanych materiałów tak aby ich synteza była tańsza i w pełni powtarzalna. W tym aspekcie jest jeszcze wiele pracy przed nami…

Przy tej niezwykłej okazji zachęcamy do lektury naszego „przewodnika” pt.: Od MOFów „w pigułce” do pigułek w MOFie – przewodnik teoretyczno-praktyczny, który przygotowaliśmy w Zespole Chemii Retikularnej i Katalizy i opublikowaliśmy w Wiadomościach Chemicznych:

Pander, M.; Skałecka, N.; Prus, J.; Stani, O.; Bury, W. Od MOFów „w pigułce” do pigułek w MOFie – przewodnik teoretyczno-praktyczny. Wiadomości Chemiczne 2024, 78, 1697–1729. (https://ptchem.pl/storage/pages/December2024/Pander.pdf)

Ponadto we wrześniu 2025 ukazała się nasza praca przeglądowa w Chemical Communications, którą zadedykowaliśmy Wydziałowi Chemii UWr z okazji 30-lecia powstania Wydziału:

Pander, M.; Stachura, E.; Kozieł-Szymańska, M.; Bury, W. When MOFs Met SALI: Solvent-Assisted Ligand Incorporation in Metal–Organic Frameworks for Catalysis and Beyond. Chem. Commun. 2025, 10.1039.D5CC04299B.